Несколько лет назад у Скотта Виллы из Университета Эмори возникла проблема. Тогда он был аспирантом Университета Юты, и его поставили в тупик вопрос, которого в школе никогда не обсуждали: как можно снимать вшей, занимающихся сексом?
Вилла и биологи из Университета Юты продемонстрировали адаптацию в реальном времени в своей лаборатории, которая вызвала репродуктивную изоляцию всего за четыре года, имитируя миллионы лет эволюции. Они начали с одной популяции паразитических перьевых вшей, разделили популяцию на две части и переселили их на хозяев разного размера - голубей с мелкими перьями и голубей с крупными перьями. Голуби прихорашивались от вшей, и популяции быстро адаптировались за счет изменения размеров тела. Спустя 60 поколений биологи увидели более крупных вшей у более крупных голубей и более мелких вшей у более мелких голубей. Когда они соединили самцов и самок вшей разного размера, самки не отложили яиц. Разные размеры тела, вероятно, мешали вшам физически спариваться друг с другом, что свидетельствует о начальных стадиях развития нового вида.
Но исследователям нужно было знать наверняка. Они положили вшей на тарелку с голубиными перьями для настроения, включили камеру и стали ждать. Но у вшей был страх сцены.
"Было много проб и ошибок. Никто раньше не снимал спаривание вшей, я вам это гарантирую", - сказал Вилья.
Они были сбиты с толку, пока студентка-исследователь не принесла в лабораторию грелку для больной спины. Это дало Вилле идею. Оказывается, для перьевых вшей волшебство происходит с помощью горячей подушечки, настроенной на внутреннюю температуру птицы.
«То, что мы увидели, было поразительно, самцы вшей физически не могли спариваться с самками, поэтому мы думаем, что именно так начинают формироваться новые виды», - сказал Вилла. «Мы уже знали, что в дикой природе более крупные виды птиц имеют более крупные виды вшей. Чего мы не знали, и что получилось из этого исследования, так это того, что вши спариваются, адаптируясь к новому хозяину. изменение размера оказывает огромный автоматический эффект на воспроизведение».
Исследование экспериментально демонстрирует экологическое видообразование, концепцию, впервые отстаиваемую Чарльзом Дарвином. Различные популяции одного и того же вида локально адаптируются к окружающей среде, и эта адаптация может вызвать репродуктивную изоляцию и, в конечном итоге, привести к возникновению нового вида.
Люди изучают это на самых разных системах, от плодовых мушек до колюшки и трости. Но они всегда берут недавно эволюционировавшие виды или популяции, которые уже разошлись, и пытаются понять, почему они больше не репродуктивно совместимы», - сказал Дейл Клейтон, профессор биологии и соавтор исследования.«Очень немногие взяли одну популяцию и развили ее в естественных условиях в две разные популяции, которые не могут воспроизводиться. Это новая часть этого».
Статья была опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 10 июня 2019 года.
Лучшее место
У голубей разного размера вши разного размера; в большинстве случаев, чем крупнее голубь, тем больше у него вшей. В 1999 году Клейтон провел исследование, которое показало, что прихорашивание птиц влияет на этот паттерн.
Перья состоят из гребней, называемых зазубринами, которые создают крошечные промежутки, известные как межзубные промежутки. Это слепое пятно голубя - вши прячутся в их длинных стройных телах, чтобы избежать смертоносных клювов. Когда большие вши ползают по более мелким перьям, они торчат из пространства, и птицы их обклевывают. Так хорошо быть маленьким, не так ли? Не совсем. В 2018 году та же исследовательская группа обнаружила, что более крупные самки вшей откладывают больше яиц. Эволюционные победители попадают в золотую середину - они достаточно малы, чтобы втиснуться в межзубное пространство, но достаточно велики, чтобы вытеснить более мелких соседей.
«Существует постоянное избирательное давление, чтобы быть как можно большим, чтобы откачать как можно больше яиц. Но прихорашивание приводит к тому, что перерывы становятся слишком большими. Есть сладкое пятно», - сказал Вилла. «Если вы поместите вшей на птиц разного размера, зона наилучшего восприятия сместится, и вши приобретут оптимальные размеры тела через несколько поколений».
Экспериментальное изменение размера передается по наследству - биологи показали, что у больших родителей было большое потомство, а у маленьких родителей было маленькое потомство, независимо от размера птиц, на которых они спаривались.
Популяции паразитических вшей быстро адаптировались. «Существенные различия в размерах появились всего через 18 месяцев», - говорит соавтор Сара Буш, доцент биологии Университета США. Эта закономерность сообщает не только об этой системе.
«Идея состоит в том, что более крупные хозяева имеют более крупных паразитов. Это верно для деревьев с паразитическими насекомыми, для блох на животных, для клещей на млекопитающих - это верно для жизни», - продолжил Буш. «Это более важный вопрос, чем просто эта конкретная система. Это происходит повсюду. Часть того, что мы делаем, - это попытка выяснить эту закономерность».
Вши, камера, никаких действий
Исследователи первыми зафиксировали, как перьевые вши спариваются. Поняв механизм секса вшей, они увидели, что работает, а что нет. Короче говоря, размер имеет значение.
Самки вшей примерно на 13% крупнее самцов. Этот диморфизм между двумя полами имеет решающее значение для размножения. Самцы имеют толстые усики, чтобы цепляться за самок во время совокупления. Они приближаются к самке сзади, скользят под ней и скручивают кончик брюшка, удерживая ее за грудную клетку. Если самец слишком мал, он может с трудом добраться до самки там, где ему нужно. Если он слишком велик, он промахнется мимо самки. Именно это и увидели исследователи.
"Здесь существует зона Златовласки. Самцы и самки должны быть точно одного размера друг для друга. Пары вшей, диморфизм которых выходит за пределы этой зоны, страдают от серьезных репродуктивных последствий", - сказал Вилья.
Они обнаружили, что вши типичного размера совокупляются дольше всех и откладывают больше всего яиц. Пары вшей с диморфизмом за пределами зоны Златовласки совокуплялись в течение более короткого промежутка времени и не откладывали яиц. Они думают, что это происходит потому, что самцы либо физически не могут оплодотворить самок, либо не могут достаточно долго совокупляться, чтобы оплодотворить ее яйца. Их эксперименты проверяли это со вшами на перьях и грелкой на камеру, а также на самих голубях. Результаты были одинаковыми - пары с размерами в Зоне Златовласки давали больше всего потомства.
Исследователи считают, что популяции вшей так быстро развили репродуктивную изоляцию, потому что размер тела является «магической» чертой, которая необходима как для выживания, так и для размножения. Если существует избирательное давление на выживание, такое как прихорашивание, то автоматически последует репродуктивная изоляция.
"Идея единого признака, управляющего как выживанием, так и размножением, была известна в течение некоторого времени. Однако определить, как эти многоцелевые признаки на самом деле управляют видообразованием, было непросто. Что делает эту статью настолько интересной, так это то, что мы действительно идентифицировали как эти "магические черты" работают в реальном времени. И, как и предсказывает теория, отбор по этим признакам может привести к репродуктивной изоляции в мгновение ока. Наше исследование дополняет множество фантастических работ по экологическому видообразованию и добавляет наше более глубокое понимание как на самом деле формируются новые виды», - сказал Вилья.
В прошлом месяце та же группа опубликовала исследование, которое продемонстрировало дивергентную окраску всего за четыре года. Сейчас команда изучает генетическую архитектуру, которая лежит в основе этих изменений размера и цвета перьевых вшей.
Другими авторами, которые внесли свой вклад в исследование, являются Хуан Алтуна, Джеймс Рафф, Эндрю Бич, Лейн Малви, Эрик Пул, Хайди Кэмпбелл и Майкл Шапиро из Университета Юты, а также Кевин Джонсон из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. Эта работа финансировалась Национальным научным фондом (грант DEB-1342600).